50、光与原子系综的量子接口：原理、应用与多通道协议

光与原子系综的量子接口：原理、应用与多通道协议

在量子信息处理领域，光与原子系综的相互作用是一个关键研究方向。这种相互作用不仅为量子态的操控和存储提供了可能，还在量子通信、量子计算等方面展现出巨大的应用潜力。本文将深入探讨光与原子系综的量子接口，包括原子云的纠缠、光的量子存储以及多通道协议等内容。

1. 光与原子系综的耦合

光模式 M 与原子系综 B 之间存在特定的耦合关系，其输出与输入的关系如下：
[
\begin{cases}
x_{out}^B = x_{in}^B \
p_{out}^B = p_{in}^B - \kappa p_{in}^M \
p_{out}^M = p_{in}^M \
x_{out}^M = x_{in}^M + \kappa x_{in}^B
\end{cases}
]
其中，耦合常数 (\kappa = a\sqrt{S_1J_x}) ，这与无磁场情况下两个原子样本的耦合情况相同。通过利用一对自旋极化方向相反的原子系综，可以实现量子非破坏（QND）类型的相互作用。

2. 两个原子云的纠缠

QND 相互作用的一个基本应用是无损测量原子正交分量。这种测量可以降低正交分量 (p_A) 的不确定性，若原子系综初始处于相干态，测量可将 (p_A) 的涨落降低到散粒噪声水平以下，使原子系综处于压缩态。压缩态通常并非以真空为中心，而是会有一个与测量到的光正交分量 (x_L) 成正比的位移。通过沿 y 轴对原子自旋进行微小旋转，可以实现原子态的位移，使位移抵消偏移量，从而将原子系综制备成纯压缩真空态。

在由两个原子系综组成的系